Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Самарский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Электрический транспорт железных дорог»

Расчетно-графическая работа

по дисциплине: «Электроизоляционные материалы в конструкции электроподвижного состава»

Вариант №40

Выполнил: ст.гр. 471

Шубинцева И.Г.

Проверил:

д.т.н., профессор

Руцкий В.М.

Самара 2011

Реферат

Целью выполнения данной работы является углубление знаний по дисциплине «Электроизоляционные материалы в конструкции электроподвижного состава», получение навыков расчета параметров проводниковых, полупроводниковых, магнитных материалов, а также изучение их основных свойств и областей применения.

Данная расчетно-графическая работа содержит 17 листов, 1 рисунок, библиографический список содержит 3 наименования.

Содержание

Введение……………………………………………………………….…….……4

Задача 1……………………...………………………………………………..….. 5

Задача 2………………………………………...……………………........………8

Задача 3……………………………………………………..……………….…….9

Задача 4…………………………………………………………….…………….12

Заключение……………………………………………………………………....16

Список использованной литературы………………………………………....17

Введение

Уровень развития любой области техники в значительной мере определяется номенклатурой и качеством используемых материалов. Благодаря развитию технологии производства стало возможным практическое использование оптоволоконных линий связи, полупроводниковых лазеров, интегральных микросхем и многих других изделий электронной и электротехнической промышленности.

Электротехническими называются специальные материалы, из которых изготавливаются электрические машины, аппараты, приборы, элементы и модули электронных систем. Обычно электротехнические материалы делят на диэлектрические (электроизоляционные), проводниковые, полупроводниковые и магнитные.

В устройствах железнодорожной автоматики, телемеханики и связи используются различные виды электротехнических материалов. Правильный их выбор для конкретных условий эксплуатации позволяет обеспечить надежную и долговечную работу устройств.

Для правильного применения и эксплуатации электротехнических материалов необходимо знать их свойства, а также зависимости этих свойств от приложенного напряжения, температуры, влажности и т. д. Величины, с помощью которых оцениваются те или иные свойства материалов, называют характеристиками или параметрами. Чтобы полностью оценивать свойства того или иного электротехнического материала, необходимо знать его механические, электрические, тепловые и физико-химические характеристики. У магнитных материалов в первую очередь следует учитывать магнитные характеристики.

Задача 1

К образцу прямоугольной формы из диэлектрического материала размерами a×b и высотой h (рисунок 1) прикладывается постоянное напряжение U. Напряжение подводится к граням ab (на рисунке 1 показано штриховкой), покрытым слоем металла. Требуется определить: ток утечки, мощность потерь, удельные потери на постоянном токе.

Затем к образцу прикладывается переменное напряжение с действующим значением U. Требуется определить мощность потерь и удельные диэлектрические потери при частотах f₁, f₂, f₃.

a = 200 мм

b = 100 мм

h = 1 мм

U = 0,5 кВ

f₁ = 10 Гц

f₂ = 1 кГц

f₃ = 0,1 МГц

ε = 2,15

ρ = 2,5 × 10¹⁶ Ом м

ρ_s = 5 × 10¹⁶ Ом м

tg δ = 2,5 × 10^-4

Рисунок 1. Образец диэлектрика

Решение

В цепях постоянного напряжения через диэлектрик длительно протекает незначительный ток, обусловленный движением свободных зарядов. Он называется током сквозной проводимости или током утечки. Ток утечки равен сумме объёмного I_v и поверхностного I_s токов:

Токи I_v и I_s можно определить по закону Ома:

; ,

где – объёмное сопротивление образца;

- поверхностное сопротивление.

Диэлектрическая проницаемость ε позволяет определить способность диэлектрика образовывать электрическую ёмкость. Ёмкость плоского конденсатора С с двумя металлическими обкладками пряма пропорциональна диэлектрической проницаемости материала, заключенного между обкладками:

где h – высота диэлектрика, м;

S=a×b - площадь одной обкладки, м²;

ε₀ = 8,85 ×10^-12 Ф/м - электрическая постоянная.

Диэлектрическая проницаемость материалов ε зависит от интенсивности процессов поляризации, протекающих в диэлектриках под воздействием внешнего электрического поля. Различают 4 вида поляризации: электронная поляризация, ε = 1…2,2; дипольная поляризация, ε = 3…8; ионная поляризация, ε = 8…20; спонтанная поляризация, ε = 1500…4500.

Активная мощность, выделяющаяся в проводнике, не зависит от характера напряжения – она одинакова как при действии постоянного напряжения, так и действующего значения переменного напряжения. Активную мощность, выделяющуюся в диэлектрике при постоянном напряжении можно определить по формуле:

где U – постоянное напряжение, приложенное к диэлектрику, В;

I – ток утечки через диэлектрик, А.

При переменном напряжении активная мощность, выделяющаяся в диэлектрике:

где U - действующее значение переменного напряжения, приложенного к диэлектрику, В;

f - частота, Гц;

C - ёмкость образца, Ф;

tg δ - тангенс угла диэлектрических потерь.

Выделяющуюся в диэлектрике активную мощность называют мощностью потерь или диэлектрическими потерями. Для сравнения характеристик диэлектриков пользуются удельными потерями, т. е. потерями в 1 м³ материала:

где – объём исследуемого образца.

Удельные потери при постоянном токе:

Удельные потери при переменном токе с частотой 10 Гц:

Удельные потери при переменном токе с частотой 1 кГц:

Удельные потери при переменном токе с частотой 0,1 МГц:

Наибольшие удельные потери происходят при переменном токе с частотой 0,1 МГц, а наименьшие при постоянном токе.